همه چیز درباره بدنه ی فیبر کربن + شناسایی انواع خودرو

همه چیز درباره بدنه ی فیبر کربن + شناسایی انواع خودرو

تقریبا خودروی اسپرت امروزی را پیدا نخواهید کرد که از این ماده بسیار سبک وزن در حداقل یکی از بخش های آن استفاده نشده باشد . اما دلیل اصلی که خودرو سازان فیبر کربن را به این اندازه دوست دارند در چیست و آینده این ماده چه خواهد بود ؟

اول به این پرسش پاسخ دهیم که این ماده گران قیمت دقیقا از چه چیزی ساخته می شود . فیبر ها ( الیاف ) گرافیت هایی همچون کربن را می سازند و خود فیبر ها از موادی همچون پلی آکریلونیتریل polyacrylonitrile )  ( یا PAN که یک نوع پلاستیک است ساخته می شود . به عبارت بهتر فیبرکربن از آکریلونیتریل ساخته شده است .

PAN های فیبر تا 300 درجه سانتی گراد حرارت داده می شوند تا تمام ناخالصی های آن به جز کربن از بین برود و در ادامه با حرارت بیشتر فیبرهای کربنی تولید می شود .

این پروسه تولید نیاز به مقدار بسیار زیادی انرژی دارد در نتیجه فیبر کربن ماده ارزان قیمتی نخواهد بود و حتی دوست دار محیط زیست هم نخواهد بود زیرا همچون آلومینیوم قابلیت بازیافت در مواد های با درجه بالا را ندارد .

سپس فیبرها بر روی بوبین های بزرگی همچون رول پنبه بهم دیگر بافته می شوند . بافت فیبر در ابتدا سیاه و براق رنگ است و می توان آن را به شکل های مختلفی بافت اما نوع اصلی آن بافت ساده است که حالتی توری مانند دارد . از این مرحله به بعد می توان از این فیبر کربن استفاده های مختلفی کرد .

فیبر با رزین پخته نشده آغشته می شود و در این مرحله آن را prepreg نام گذاری کرده اند . سپس باید آن را در دمای کم ذخیره کرد و همانند یک خیاط می توان برش های مختلفی بر روی آن ایجاد کرد . سپس آن را در قالب های که از قبل آماده شده اند می خواباندند تا قطعه نهایی تولید شود . جهت بافت ماده مذکور توسط مهندسین طراحی با توجه به نوع و کاربرد قطعه می تواند متفاوت باشد . در بخش های اصلی ساختار خودرو همچون تیوب شاسی خودروهای سوپر اسپرت و یا خودروهای فرمول 1 ، جهت بافت بستگی به جهتی دارد که نیروهای مختلف به آن وارد می شود .

سپس قالب ها در یک کیسه سیلیکونی قرار می گیرد و هوای آن تخلیه می شود تا لایه های فیبر به هم دیگر فشرده شوند . سپس فیبر کربن در یک اتوکلاو ( یک کوره تحت فشار ) در دمای 120 تا 180 درجه سانتی گراد و تحت فشار 2 تا 6 بار می پزد .

این روشی است که یک شاسی خودروی فرمول 1 ساخته می شود . اگر اتوکلاو در دسترس نباشد فیبر کربن را در یک کیسه با خالی کردن هوای آن قرار می دهند تا در یک کوره معمولی در دمای 60 تا 100 درجه سانتی گراد بپزد .

روش گران قیمت تر تولید برای برخی از موارد خاص همچون تکمیل ساخت شاسی مونوکوک خودروهای سوپر اسپرت ( همچون مک لارن 720S ) به صورت پرس گرم است. مشابه با قالب استفاده شده برای شکل دادن انواع مختلف فلز همچون پنل های بدنه آلومینیومی ، قالب های فولادی به صورت دقیق ساخته می شوند . فیبر کربن خشک شده در قالب قرار داده می شود و پرس می شود سپس رزین با فشار 10 تا 20 بار تزریق و سپس قالب را حرارت می دهند . زمانی که قطعه شکل نهایی خود را گرفت می توان آن را در کوره پخت به این روش تولید RTM می گویند که نه تنها روش سریع تری برای تولید است بلکه امکان ساخت قطعات به صورت تولید انبوه را ممکن می سازد به گونه ای که می توان در طول یکسال هزاران قطعه فیبر کربنی تولید کرد .

یکی از پیشرفته ترین روش های تولید فیبر کربن ، فورج کاری کامپوزیت است . فیبرها در طول های کوچک در حدود 5 سانتی متر بریده می شوند و با مخلوط سازی آن با رزین ، به درون یک قالب تزریق و فشرده ( فورج ) می شوند .

به طور مثال شرکت بی ام و از روش متفاوتی برای تولید فیبر کربن استفاده می کند . برای ساخت فیبر ها ( الیاف ) کربنی به پلی آکریلونیتریل نیاز است که آن را پیش ساز فیبر کربن نام گذاری کرده اند . بی ام و استفاده گسترده ای از این ماده برای تولید بخش های مختلف سری I خود می کند. هر رول پلی آکریلونیتریل که در Moses Lake ایالت واشنگتون آمریکا تولید می شود شامل 100 هزار الیاف فیبر کربنی است .

بنابراین می توان این طور جمع بندی کرد که در دنیای که ایمنی و کاهش وزن از اهمیت بالایی برخوردار است ، استفاده از فیبر کربن حداقل برای ساخت خودروهای چابک و اسپرت می تواند بسیار حائز اهمیت باشد . از این رو خودرو سازان نامدار که مدل های اسپرت و چابک را در سبد محصولات خود دارند ، عملا در شرایط فعلی انتخابی بهتر از استفاده از فیبر کربن را پیش روی خود نمی بینند و بنابراین صنعت ساخت خودروهای اسپرت به تدریج در حال تبدیل شدن به صنعتی مبتنی بر فیبر کربن است .

10 خودرو با بدنه کاملا فیبر کربن

زمانی که مهندسان تصمیم به تولید سوپر کارها می گیرند قدرت اولین فاکتور مهم برای آن ها است . اما دومین نکته ای که ذهن آن ها را درگیر خود می کند شتاب صفر تا 100 میلومتر و نهایتا آئرودینامیک بهتر و ترمز های خوب برای متوقف کردن خودرو است . اما به واقع رسیدن به نتیجه خوب برای تک تک این فاکتور بدون در نظر گرفتن وزن خودرو امری سخت و دشوار است . باور بر این موضوع است که کاهش یک کیلوگرم وزن خودرو در مقایسه با افزایش 1 اسب بخار قدرت ، هزینه به مراتب بیشتری دارد .

اما یکی از راه های کاهش وزن سوپر اسپرت ها استفاده از متریال فیبر کربن است . کمتر سوپر اسپرت یا خودرویی در جهان است که از بدنه کاملا فیبر کربن استفاده کرده باشد چرا این متریال سبک وزن بسیار گران است . البته خودروهایی کاملا خاصی نظیر لانچیا دلتا Futurista ، فورد GT و مرسدس ای ام جی وان وجود دارند که به دلیل عدم استفاده کامل از فیبر کربن در بدنه خودرو در این لیست نیامده اند .

1- استون مارتین والکری  AMR Pro:

این خودروی شگفت انگیز استون مارتین با همکاری تیم فرمول 1 رد بول توسعه یافته است و بدنه خودرو به همراه برخی از قطعات سیستم تعلیق از فیبر کربن ساخته شده است . والکری AMR Pro تنها 1000 کیلوگرم وزن دارد در حالی که از پیشرانه 1145 اسب بخاری بهره می برد .

2- هنسی ونوم F5 :

هسنی ونون F5 خودرویی کاملا شناخته شده است چرا این خودرو داعیه سریع ترین خودروی جهان را در سر دارد . پیشرانه ‌ی 8 سیلندر 7.4 لیتری توئین توربوی ونوم F5 حداقل 1600 اسب بخار قدرت دارد . همچنین بدنه خودرو بطور کلی از فیبر کربن تولید شده و آئرودینامیک بدنه از ضریب درگ 0.33 درصد سود می برد . تولید کنندگان هنسی ونون امیداور هستند به سرعت 500 کیلومتر در ساعت برسند .

3- ایتال دیزاین Zerouno Duerta :

این ایتالیایی جذاب بر روی پلت فرم آئودی R8 تولید شده لذا پیشرانه 10 سیلندر تنفس طبیعی با 610 اسب بخار وظیفه تولید قدرتدر این خودرو برعهده دارد . همانند بسیاری از سوپر اسپرت های جهان ، این خودرو به صورت چهار چرخ متحرک می باشد و از جعبه دنده دو کلاچه بهره می برد . ZEROUNO DUERTA  با 1300 کیلوگرم وزن به نهایت سرعت 320 کیلومتر در ساعت می رسد .

4- کونیگ زگ آگرا RS :

قطعا شماره 4 این لیست کاملا خاص است چرا که در بدنه خودرو از ترکیب فیبر کربن و سولار استفاده شده است . نیروگاه 8 سیلندر 5 لیتری تویین توربو آگرا RS با 1360 اسب بخار توانایی حداکثر 457 کیلومتر در ساعت را برای این خودرو فراهم آورده تا لقب بزرگ پرسرعت ترین خودروی جهان نصیب کونیگ زگ آگرا RS شود .

5- لکسوس LFA :

لکسوس LFA را باید پیشکسوت این لیست گران قیمت دانست اما هیچگاه نباید آن را فراموش کرد چرا که کل بدنه از پلیمر تقویت شده با فیبر کربن CFRP ساخته شده است . این خودرو تولید 2009 است و بنا بر اطلاعات موجود 65 درصد متریال CFRP در بدنه باعث کاهش 100 کیلوگرمی وزن خودرو شده است .

6- مک لارن سنا :

سنا را باید یکی از جوان ترین های این لیست محصول کرد . این محصول جدید مک لازن از بدنه کاملا فیبر کربن استفاده می کند و تنها قرار است در 500 نسخه تولید گردد که همگی این نسخه از پیش به فروش رسیده است . پیشرانه 8 سیلندر تویین توربوی 800 اسب بخاری در کنار وزن 1198 کیلوگرمی باعث تحسین همگام از این خودرو شده است .

7- مک لارن اسپیدتیل :

دیگر جوان این لیست مک لارن اسپیدتیل نام دارد که از سری محصولات جدید مک لارن با فناوری آینده نگرانه است . بدنه خودرو به طور کلی از فیبر کربن ساخته شده است و از آیرودینامیک فوق العاده بهره می برد . مجموعه این عوامل در کنار 1050 اسب بخار خروجی موتورهای این خودرو باعث گردید که اسپیدتیل ظرف تنها 12.8 ثانیه سرعت خود را از حالت سکون به 300 کیلومتر بر ثانیه برساند و این شتاب را تا حداکثر سرعت 408 کیلومتر در ساعت حفظ نماید .

8- سینگر دینامیک و DLS :

قطعا همکاری دو شرکت سینگر و ویلیامز یونیت باعث ظهور نتیجه استثنایی می گردد . این خودرو که از فناوری فرمول 1 در توسعه آن بهره برده شده است از بدنه کامل فیبر کربن بهره می برد . سینگر دینامیک و DLS از پیشرانه‌ی تنفس طبیعی 500 اسب بخاری بهره می برد و تنها 989 کیلوگرم وزن دارد .

9- W موتورز فنیر سوپر اسپورت :

وقتی خودروی نظیر W موتورز فنیر سوپر اسپورت را به پیشرانه 900 اسب بخاری راف مجهز نمایید باید راهی برای کاهش وزن یافت و نزدیک ترین راه استفاده از فیبر کربن در کل بدنه خودرو است . سوپر اسپرت فوق تنها 1200 کیلوگرم وزن دارد و می تواند به حداکثر سرعت 400 کیلومتر در ساعت دست یابد .

10- زنوو TST-S :

این هایپرکار دانمارکی در نمایشگاه ژنو سال پیش رونمایی شد و بدنه‌ی آن از فیبر کربن و دیگر متریال کامپوزیتی ساخته شده که همین امر باعث شده وزن خودرو به 1495 کیلوگرم برسد . قلب تپنده 8 سیلندر 1194 اسب بخاری می تواند برا این خودرو شتاب 2.8 ثانیه صفر تا 100 را به ارمغان بیاورد .

مزیت های فیبر کربن و الیاف کربنی CFRP

1- وزن کم فیبر کربن

2- مقاومت کششی بالا فیبر کربن

3- ضریب الاستیک بالاتر نسبت به الیاف شیشه

4- ضریب انبساط گرمایی کم فیبر کربن که باعث ثابت ماندن طول فیبر کربن در دماهای مختلف می ‌شود

5- مقاومت بالا فیبر کربن در برابر مواد خورنده

6- غیر قابل انفجار بودن فیبر کربن

7- استحکام فیبر مربن در برابر خستگی

معایب الیاف کربن به شرح زیر است :

1- قیمت بالا این نوع الیاف

2- در هنگام کار با این الیاف باید مواظب شکنندگی آن بود .

3- مقاومت پایین در مقابل ضربه ( Impact )

4- مقاومت کم در برابر سائیدگی و خراشیدگی   ( Abrasion )

5- نداشتن مقاومت خوب در برابر اکسیژن در ℃400

6- عدم مقاومت در برابر اسیدهای اکسید کننده در محیط های گرم

کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی

1- ساخت پره توربین های کربنی و آسیاب های بادی جهت تولید برق از انرژی باد ، ساخت و تولید باتری‌ های سوختی

2- کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی ، الکترونیک و ماشین سازی

3- ساخت چرخ دنده های کربنی ، غلتک های کربنی ، چرخ دنده های پر سرعت کربنی ، قطعات خود روغن کاری شونده ، آنتن های کربنی ، مخازن تحت فشار کربنی ، قاب تلفن های همراه

خصوصیات بعضی از الیاف کربن

1- الیاف کربن با مقاومت معمولی

در درجه حرارت  ( شعله قرمز ) این نوع الیاف بدست می آید این نوع الیاف مقاومت کششی خوبی داشته و کرنش گسیختگی (Elongation to brake) آن حدود  و مدول الاستیسیته پایین می باشد .

2- الیاف با سفتی بالا ( HT )

در درجه حرارت  الیاف HTسفتی بالا بوجود می آید . مقاومت کششی این الیاف تقریبا  می باشد . که مقاومت بالایی است در کرنش گسیختگی مدول آن  که نسبتا پائین است .

3- الیاف با مدول های بالا ( High – Modulate Fibers )

الیاف HM در مرحله گرافیتاسیون تحت درجه حرارت  بدست می آید . کرنش گسیختگی این الیاف خیلی پائین 6 درصد مقاموت آن هم کم در حدود  می باشد . مدول الاستیسیته آن خیلی بالا در حدود  تا  می باشد .

بیشتر بخوانید:

همه چیز درباره سیستم کنترل فشار باد تایر و نحوه عملکرد آن

منبع: کارگیک